CN116254171A - 一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用*** - Google Patents
一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN116254171A CN116254171A CN202310074584.6A CN202310074584A CN116254171A CN 116254171 A CN116254171 A CN 116254171A CN 202310074584 A CN202310074584 A CN 202310074584A CN 116254171 A CN116254171 A CN 116254171A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- unit
- pretreatment
- cellulosic biomass
- acid
- chain fatty
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
- C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
- C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
- C05F17/90—Apparatus therefor
- C05F17/957—Apparatus therefor using two or more serially arranged devices
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
- C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
- C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
- C05F17/20—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation using specific microorganisms or substances, e.g. enzymes, for activating or stimulating the treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
- C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
- C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
- C05F17/90—Apparatus therefor
- C05F17/964—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
- C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
- C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
- C05F17/90—Apparatus therefor
- C05F17/964—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors
- C05F17/971—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors for feeding or discharging materials to be treated; for feeding or discharging other material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
- C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
- C05F3/00—Fertilisers from human or animal excrements, e.g. manure
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
- C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
- C05F9/00—Fertilisers from household or town refuse
- C05F9/04—Biological compost
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
- C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
- C12M21/18—Apparatus specially designed for the use of free, immobilized or carrier-bound enzymes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/26—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
- C12M41/32—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of substances in solution
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
- C12M41/34—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of gas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
- C12M45/02—Means for pre-treatment of biological substances by mechanical forces; Stirring; Trituration; Comminuting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
- C12M45/09—Means for pre-treatment of biological substances by enzymatic treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
- C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
- C12P5/023—Methane
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/64—Fats; Fatty oils; Ester-type waxes; Higher fatty acids, i.e. having at least seven carbon atoms in an unbroken chain bound to a carboxyl group; Oxidised oils or fats
- C12P7/6409—Fatty acids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P2203/00—Fermentation products obtained from optionally pretreated or hydrolyzed cellulosic or lignocellulosic material as the carbon source
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,包括:纤维素类生物质的预处理单元,预处理以促进木质纤维素水解;用于产酸的发酵单元,利用瘤胃功能菌对预处理的木质纤维素水解发酵,使得纤维素类生物质转变为溶解性有机质,并分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品;用于产生沼气的厌氧消化单元,将挥发性短链脂肪酸转化为以甲烷为主的生物气,并固液分离得到沼液;用于沼液利用的末端处理单元,将沼液通过酶提取单元提取水解酶,或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水,水解酶、氨氮浓缩液和产水均可回用。本发明能够更加低碳环保地处理纤维素类生物质;实现纤维素类生物质的闭环降解转化且实现途径温和。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域,特别涉及一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***。
背景技术
农牧业发展产生大量的纤维素类生物质,如玉米秸秆、小麦秸秆、稻杆、食草动物粪便等。目前,这些纤维素类生物质,仅少量用于牲畜饲养、部分回田或焚烧,仍存在大量的堆积废弃,难以在短时间内资源化利用,占用环境空间资源同时成为有机固体废弃物,逐渐成为新的环境污染源。实现纤维素类生物质的高效降解和能源化具有解决环境污染和缓解能源危机的双重意义,是环境和能源领域备受关注的热点问题。
当前这些纤维素类生物质资源利用技术主要分为肥料化、饲料化、原料化、基料化和燃料化,即“五化”技术。其中燃料化技术能够很好的实现环境、经济和社会效益相统一,燃料化技术又称为能源化技术,根据操作条件、燃料类型的不同主要分为三大类,分别为直接燃烧技术、热化学技术和生物转化技术。生物转化技术区别于其他技术,最主要的优势在于不对环境产生危害、能耗较低。生物沼气技术通过厌氧消化的方法,产生能源沼气,被认为是非常有潜力的玉米秸秆综合处理技术。而如何实现厌氧发酵对纤维素类生物质的高效降解,是实现纤维素类生物质能源化利用的关键问题之一,但目前尚没有找到一种即经济又高效且稳定的处理方法。例如,专利CN111676076A公开了一种生物质资源生态化利用与能源化利用的耦合方法及***,将生物质加工成碎料加以利用,减少污染排放量。但是其并未实现纤维素类生物质的低碳高效循环能源化降解利用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,以实现纤维素类生物质的闭环资源化利用,最大限度地内部循环。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,包括:
纤维素类生物质的预处理单元,通过酶预处理、机械预处理或者酸碱预处理的方式促进木质纤维素水解;
用于产酸的发酵单元,利用瘤胃功能菌对预处理的木质纤维素水解发酵,使得纤维素类生物质转变为溶解性有机质,并通过固液分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品;
用于产生沼气的厌氧消化单元,将所述挥发性短链脂肪酸转化为以甲烷为主的生物气,并固液分离得到沼液;
用于沼液利用的末端处理单元,将所述沼液通过酶提取单元提取水解酶,或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水,所述水解酶回用至酶预处理环节以强化水解效能,所述氨氮浓缩液回用至酸碱预处理环节以进行碱预处理,所述产水回流至产酸单元作为***回用水。
在一个实施例中,所述酶预处理,使用真菌酶或细菌酶降解纤维素类生物质中的木质素、半纤维素和纤维素;所述机械预处理包括粉碎、微波辐射、喷雾干燥和热解,以使得颗粒尺寸减小至0.5mm以下;所述酸碱预处理包括酸预处理、碱预处理和酸碱混合预处理;所述酸预处理,在温度范围为20~50℃及标准大气压下,使用质量浓度高于39%的HCl或质量浓度高于72%的H2SO4对纤维素类生物质预处理;所述碱预处理,使用质量浓度0.25-6%的NaOH或质量浓度25%的氨溶液对纤维素类生物质预处理;所述酸碱混合预处理,使用HCl与NaOH混合溶液,破坏纤维素类生物质中纤维素的结晶和无定形结构以促进纤维素类生物质的水解。
在一个实施例中,所述发酵单元包括产酸发酵罐和固液分离装置,所述产酸发酵罐接种富含瘤胃功能菌的接种物,并通过后续投加维持其中瘤胃功能菌的活性及其对难降解纤维素类生物质的降解功效,所述产酸发酵罐包括气体出口和固液产物出口,所述气体出口收集以氢气为主的气体;所述固液分离装置接所述固液产物出口,分离出挥发性短链脂肪酸、挥发性长链脂肪酸以及醇醚类能源产品。
在一个实施例中,所述瘤胃功能菌通过接种瘤胃液或牛粪提供,并通过后续投加牛粪维持瘤胃菌群活性,持续补充发酵单元中瘤胃功能菌和碱度平衡;或通过微生物技术对瘤胃微生物进行分离和重建得到瘤胃功能菌;所述固液分离装置采用动态膜或真空蒸发实现分离。
在一个实施例中,将所述挥发性短链脂肪酸从发酵单元中取出以维持产酸发酵罐的环境和能量转化,其中所述产酸发酵罐内的温度维持在39℃且pH不低于5.0。
在一个实施例中,所述厌氧消化单元,采用厌氧消化的方式利用所述挥发性短链脂肪酸得到高甲烷含量的生物气;或采用生物燃料电池的方式使发酵单元中的氢气及挥发性短链脂肪酸能源化利用。
在一个实施例中,所述厌氧消化单元固液分离得到的沼液回流或部分回流至发酵单元稀释缓解酸积累,以避免酸中毒对瘤胃功能菌的抑制作用,提高瘤胃功能菌对纤维素类生物质的降解效能,回流量使得发酵单元的pH不低于5.0。
在一个实施例中,将所述厌氧消化单元中的排泥或排泥与纤维素类生物质制备成生物炭,投至发酵单元强化水解发酵过程,或用作土壤肥料。
在一个实施例中,所述水解酶为羧甲基纤维素酶、内切-β-1,4-葡聚糖酶和木聚糖酯酶中的一种或几种。
在一个实施例中,所述产酸发酵罐的监测指标包括pH、短链脂肪酸浓度、化学需氧量、总固体浓度及纤维素含量,pH高于6.5以上可以考虑提高负荷,若是低于5.0需要通过增加沼液回流量或者降低负荷的方式控制pH,并通过控制排泥量的方式控制总固体浓度在30-50g/L,而短链脂肪酸浓度、化学需氧量及纤维素含量作为评判产酸水平的依据;
所述固液分离装置的监测指标包括出水挥发性固体浓度、浊度、通量,通过以上三种指标评判固液分离效果,并在效果恶化时采取膜清洗或更换膜孔径的措施;
所述厌氧消化单元的监测指标包括pH、沼气产量及占比、沼液化学需氧量及短链脂肪酸浓度,通过调整负荷的方式控制pH在7.5以上,根据沼气产量及占比、进出水的化学需氧量及短链脂肪酸浓度计算甲烷转化率作为厌氧消化水平的评判依据。
本发明还提供了基于所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***的方法,包括如下步骤:
步骤1,利用预处理单元,通过酶预处理、机械预处理或者酸碱预处理的方式对纤维素类生物质进行预处理;
步骤2,在发酵单元接种富含瘤胃功能菌的接种物,将预处理之后的纤维素类生物质送入发酵单元,在瘤胃功能菌的作用下水解发酵,并分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品;
步骤3,将分离得到的挥发性短链脂肪酸送入厌氧消化单元,在厌氧条件下将其转化为以甲烷为主的生物气,并固液分离得到沼液和排泥;
步骤4,将所述沼液通过酶提取单元提取水解酶,或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水;所述水解酶回用至酶预处理环节以强化水解效能;所述氨氮浓缩液回用至酸碱预处理环节以进行碱预处理;所述产水回流至产酸单元作为***回用水;所述排泥单独或者与一部分纤维素类生物质共同制备成生物炭,回投至产酸单元强化水解发酵过程,或者回投至厌氧消化单元强化生物降解过程,或者用作土壤肥料。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、由于瘤胃功能菌与产甲烷污泥结合的两相厌氧消化能提高生物气中的甲烷占比,获得能源气体的同时降低二氧化碳产出,因此本发明能够更加低碳环保地处理纤维素类生物质。
2、由于引入天然瘤胃消化***中的关键菌群,因此本发明充分利用了瘤胃功能菌的高水解能力,高效获得甲烷、VFA、LCFA及醇醚类能源产品。
3、由于能够充分回收利用***中的沼液沼渣,因此本发明***可实现纤维素类生物质的闭环降解转化且实现途径温和。
附图说明
图1是本发明***流程示意图。其中,(1)是预处理单元;(2)是发酵单元;(3)是厌氧消化单元;(4)是末端处理单元。DMBR指动态膜生物反应器;VFA指挥发性短链脂肪酸;LCFA指长链脂肪酸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
基于前述现有技术,本发明希望基于瘤胃微生物高效水解能力的优势,围绕瘤胃功能菌建立一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***。在实现纤维素类生物质低碳高效地转化为能源产品的基础上,最大限度地实现内部循环,完成***内的闭环资源化。与专利CN111676076A相比,本发明引入了瘤胃功能菌的高效水解及两相厌氧消化措施,且实现了***中纤维素类生物质的闭环降解转化,最大限度地实现内部循环。
具体地,如图1所示,本发明为一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,包括预处理单元1、发酵单元2、厌氧消化单元3和末端处理单元4。
其中,预处理单元1通过酶预处理、酸碱预处理或机械预处理的方式对纤维素类生物质进行预处理,主要目的是通过预处理,促进木质纤维素水解。
发酵单元2主要用于产酸,具体地,其利用瘤胃功能菌对预处理后的木质纤维素高效水解发酵,使得纤维素类生物质转变为溶解性有机质,并通过固液分离(膜、真空蒸发)得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品。
厌氧消化单元3主要用于产生沼气,具体地,其将从发酵单元2得到的挥发性短链脂肪酸转化为以甲烷为主的生物气,并固液分离得到沼液。
末端处理单元4主要用于沼液利用,具体地,其将厌氧消化单元3得到的沼液通过酶提取单元回用水解酶,或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水。其中水解酶可回用至酶预处理环节以强化水解效能,氨氮浓缩液可回用至酸碱预处理环节以进行碱预处理,产水可回流至产酸单元2作为***回用水。厌氧消化单元3中固液分离后的排泥可以单独或者与一部分纤维素类生物质共同制备成生物炭(可行的条件例如为:半小时升温至500℃并维持两个小时),回投至产酸单元2强化水解发酵过程,或者回投至厌氧消化单元3强化生物降解过程,或者用作土壤肥料。
综上所述,本发明采用生物过程处理纤维素类生物质途径温和,且引入了天然高效的瘤胃功能菌进行纤维素类生物质的水解产酸,再将产生的易利用的短链脂肪酸通过产甲烷颗粒污泥转化为高甲烷产量的生物气,组成的两相厌氧消化***具有水解效率高、甲烷转化率高及二氧化碳产出少的特点,更加低碳环保。实验证明投加牛粪(含瘤胃功能菌)强化的厌氧消化***中纤维素、半纤维素及木质素的去除率可分别达到78.3%、58.8%及47.5%。并且***中输出的沼液沼渣可分别通过浓缩、酶提取及炭化的方式作为前端预处理的原料回用或是作为生物过程强化的素材,实现了纤维素类生物质的闭环降解转化且实现途径温和。
在本发明中,预处理单元1对纤维素类生物质进行预处理以得到易于水解发酵的基质。在一些实施例中,机械预处理主要包括粉碎(例如切碎、碾磨、研磨)、微波辐射、喷雾干燥和热解中的一种或几种,其目的和作用是减小颗粒尺寸,示例地宜减小至0.5mm以下,纤维素类生物质破碎后显然有利于进一步水解。本实施例中,可将纤维素类生物质经粉碎机或破碎机进行机械预处理,并可进一步与其它有机固体废弃物经搅拌器混合得到混合基质以促进纤维素水解。
酶预处理主要使用不同种类的真菌酶或细菌酶降解纤维素类生物质中的木质素、半纤维素和纤维素。本实施例中,也可利用从末端沼液中提取到的水解酶(如:羧甲基纤维素酶、内切-β-1,4-葡聚糖酶和木聚糖酯酶中的一种或几种)对纤维素类生物质进行酶解预处理。
酸碱预处理是通过化学方法投加酸碱试剂以改变纤维素类生物质结构,促进其在发酵单元的水解。本实施例中,酸碱预处理包括酸预处理、碱预处理和酸碱混合预处理。其中所述酸预处理,可在温度范围为20~50℃及标准大气压下,使用质量浓度高于39%的HCl或质量浓度高于72%的H2SO4对纤维素类生物质预处理;所述碱预处理,可用质量浓度0.25-6%的NaOH或质量浓度25%的氨溶液对纤维素类生物质预处理;所述酸碱混合预处理,可用HCl与NaOH混合溶液(HCl与NaOH的重量比例优选为4:1),破坏纤维素类生物质中纤维素的结晶和无定形结构以促进纤维素类生物质的水解。
在本发明中,发酵单元2主要用于将预处理单元1提供的基质酸化得到混合液,并固液分离。在一些实施例中,发酵单元2主要包括产酸发酵罐和固液分离装置;其中产酸发酵罐可接种瘤胃液或牛粪等富含瘤胃功能菌的接种物,并通过后续投加(可根据产酸发酵罐中的短链脂肪酸产量或微生物活性下降程度调整投加量)维持其中瘤胃功能菌的活性及其对难降解纤维素类生物质的降解功效;示例地,发酵罐内的最佳条件包括温度维持在39℃、pH不低于5.0。产酸发酵罐包括气体出口和固液产物出口,所述气体出口收集以氢气为主的气体,固液分离装置接所述固液产物出口。本发明需要从发酵单元中提取出挥发性短链脂肪酸以维持发酵罐的良好环境和进一步的能量转化,因此也可采用其他各种类型固液分离装置来实现挥发性短链脂肪酸的分离,如动态膜组件、超滤膜组件以及真空蒸发等方式有效地从发酵罐中提取挥发性短链脂肪酸;固液分离装置不仅可分离出挥发性短链脂肪酸,还可分离得到长链脂肪酸、醇醚类能源产品,可进一步加工得到商业产品(如生物塑料)。
在本发明中,可直接将纤维素类生物质与牛粪在预处理单元1进行混合作为混合基质,也可直接投加适量(根据产酸发酵罐中的短链脂肪酸产量或微生物活性下降程度调整投加量)牛粪作为生物添加剂于产酸发酵罐中,持续补充发酵单元2中瘤胃功能菌和碱度平衡,强化提高发酵单元2对纤维素类生物质的水解酸化效果,也可以通过微生物技术对瘤胃微生物进行分离和重建得到更有利的瘤胃功能菌。
为了对反应过程进行监测以及控制,设置了相应的监测指标,具体如下:
产酸发酵罐的监测指标包括pH、短链脂肪酸浓度、化学需氧量、总固体浓度及纤维素含量,pH高于6.5以上可以考虑提高负荷,若是低于5.0需要通过增加沼液回流量或者降低负荷的方式控制pH,并通过控制排泥量的方式控制总固体浓度在30-50g/L,而短链脂肪酸浓度、化学需氧量及纤维素含量作为评判产酸水平的依据。
固液分离装置的监测指标包括出水挥发性固体浓度、浊度、通量,通过以上三种指标评判固液分离效果,并在效果恶化时采取膜清洗或更换膜孔径的措施。
厌氧消化单元3的监测指标包括pH、沼气产量及占比、沼液化学需氧量及短链脂肪酸浓度,通过调整负荷的方式控制pH在7.5以上,根据沼气产量及占比、进出水的化学需氧量及短链脂肪酸浓度计算甲烷转化率作为厌氧消化水平的评判依据。
在本发明中,厌氧消化单元3主要用于将固液分离得到的酸化液中挥发性短链脂肪酸吸收转化成甲烷。在一些实施例中,可采用生物燃料电池的方式使发酵单元2中的氢气及挥发性短链脂肪酸能源化利用。也可采用传统厌氧消化的方式利用产酸发酵罐中得到的挥发性短链脂肪酸得到高甲烷产量(含量高达75-85%)的生物气;且吸收转化后得到的沼液可回流或部分回流至产酸发酵罐中稀释缓解酸积累,最大限度地避免酸中毒对瘤胃功能菌的抑制作用,提高瘤胃功能菌对纤维素类生物质的降解效能,回流量以维持pH不低于5.0为宜。
在本发明中,将传统厌氧消化单元所得的沼渣以及部分纤维素生物质原料在管式炉中半小时达到500℃并维持两个小时以制备生物炭,可以投加到发酵单元强化对纤维素类生物质的水解能力。
在本发明的一些实施例中,末端处理单元4包括酶提取单元和膜处理单元;酶提取单元从所述沼液中提取相关酶(如:羧甲基纤维素酶、内切-β-1,4-葡聚糖酶和木聚糖酯酶)回投至前端作为酶预处理的原料;沼液可经过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水,氨氮浓缩液可回用作为碱预处理的原料,产水可作为***回用水。
依据本发明的***,按流程即可实现纤维素类生物质的低碳高效循环能源化利用。
Claims (10)
1.一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,包括:
纤维素类生物质的预处理单元(1),通过酶预处理、机械预处理或者酸碱预处理的方式促进木质纤维素水解;
用于产酸的发酵单元(2),利用瘤胃功能菌对预处理的木质纤维素水解发酵,使得纤维素类生物质转变为溶解性有机质,并通过固液分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品;
用于产生沼气的厌氧消化单元(3),将所述挥发性短链脂肪酸转化为以甲烷为主的生物气,并固液分离得到沼液;
用于沼液利用的末端处理单元(4),将所述沼液通过酶提取单元提取水解酶,或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水,所述水解酶回用至酶预处理环节以强化水解效能,所述氨氮浓缩液回用至酸碱预处理环节以进行碱预处理,所述产水回流至产酸单元(2)作为***回用水。
2.根据权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,所述酶预处理,使用真菌酶或细菌酶降解纤维素类生物质中的木质素、半纤维素和纤维素;所述机械预处理包括粉碎、微波辐射、喷雾干燥和热解,以使得颗粒尺寸减小至0.5mm以下;所述酸碱预处理包括酸预处理、碱预处理和酸碱混合预处理;所述酸预处理,在温度范围为20~50℃及标准大气压下,使用质量浓度高于39%的HCl或质量浓度高于72%的H2SO4对纤维素类生物质预处理;所述碱预处理,使用质量浓度0.25-6%的NaOH或质量浓度25%的氨溶液对纤维素类生物质预处理;所述酸碱混合预处理,使用HCl与NaOH混合溶液,破坏纤维素类生物质中纤维素的结晶和无定形结构以促进纤维素类生物质的水解。
3.根据权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,所述发酵单元(2)包括产酸发酵罐和固液分离装置,所述产酸发酵罐接种富含瘤胃功能菌的接种物,并通过后续投加维持其中瘤胃功能菌的活性及其对难降解纤维素类生物质的降解功效,所述产酸发酵罐包括气体出口和固液产物出口,所述气体出口收集以氢气为主的气体;所述固液分离装置接所述固液产物出口,分离出挥发性短链脂肪酸、挥发性长链脂肪酸以及醇醚类能源产品。
4.根据权利要求3所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,所述瘤胃功能菌通过接种瘤胃液或牛粪提供,并通过后续投加牛粪维持瘤胃菌群活性,持续补充发酵单元(2)中瘤胃功能菌和碱度平衡;或通过微生物技术对瘤胃微生物进行分离和重建得到瘤胃功能菌;所述固液分离装置采用动态膜或真空蒸发实现分离。
5.根据权利要求3或4所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,将所述挥发性短链脂肪酸从发酵单元(2)中取出以维持产酸发酵罐的环境和能量转化,其中所述产酸发酵罐内的温度维持在39℃且pH不低于5.0。
6.根据权利要求3或4所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,所述产酸发酵罐的监测指标包括pH、短链脂肪酸浓度、化学需氧量、总固体浓度及纤维素含量,pH高于6.5以上可以考虑提高负荷,若是低于5.0需要通过增加沼液回流量或者降低负荷的方式控制pH,并通过控制排泥量的方式控制总固体浓度在30-50g/L,而短链脂肪酸浓度、化学需氧量及纤维素含量作为评判产酸水平的依据;
所述固液分离装置的监测指标包括出水挥发性固体浓度、浊度、通量,通过以上三种指标评判固液分离效果,并在效果恶化时采取膜清洗或更换膜孔径的措施;
所述厌氧消化单元(3)的监测指标包括pH、沼气产量及占比、沼液化学需氧量及短链脂肪酸浓度,通过调整负荷的方式控制pH在7.5以上,根据沼气产量及占比、进出水的化学需氧量及短链脂肪酸浓度计算甲烷转化率作为厌氧消化水平的评判依据。
7.根据权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,所述厌氧消化单元(3),采用厌氧消化的方式利用所述挥发性短链脂肪酸得到高甲烷含量的生物气;或采用生物燃料电池的方式使发酵单元(2)中的氢气及挥发性短链脂肪酸能源化利用。
8.根据权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,所述厌氧消化单元(3)固液分离得到的沼液回流或部分回流至发酵单元(2)稀释缓解酸积累,以避免酸中毒对瘤胃功能菌的抑制作用,提高瘤胃功能菌对纤维素类生物质的降解效能,回流量使得发酵单元(2)的pH不低于5.0。
9.根据权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***,其特征在于,将所述厌氧消化单元(3)中的排泥或排泥与纤维素类生物质制备成生物炭,投至发酵单元(2)强化水解发酵过程,或用作土壤肥料。
10.基于权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用***的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,利用预处理单元(1),通过酶预处理、机械预处理或者酸碱预处理的方式对纤维素类生物质进行预处理;
步骤2,在发酵单元(2)接种富含瘤胃功能菌的接种物,将预处理之后的纤维素类生物质送入发酵单元(2),在瘤胃功能菌的作用下水解发酵,并分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品;
步骤3,将分离得到的挥发性短链脂肪酸送入厌氧消化单元(3),在厌氧条件下将其转化为以甲烷为主的生物气,并固液分离得到沼液和排泥;
步骤4,将所述沼液通过酶提取单元提取水解酶,或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水;所述水解酶回用至酶预处理环节以强化水解效能;所述氨氮浓缩液回用至酸碱预处理环节以进行碱预处理;所述产水回流至产酸单元2作为***回用水;所述排泥单独或者与一部分纤维素类生物质共同制备成生物炭,回投至产酸单元(2)强化水解发酵过程,或者回投至厌氧消化单元(3)强化生物降解过程,或者用作土壤肥料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310074584.6A CN116254171A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用*** |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310074584.6A CN116254171A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用*** |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116254171A true CN116254171A (zh) | 2023-06-13 |
Family
ID=86685696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202310074584.6A Pending CN116254171A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用*** |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116254171A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114395466A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-26 | 西安建筑科技大学 | 一种体外瘤胃仿生*** |
-
2023
- 2023-02-06 CN CN202310074584.6A patent/CN116254171A/zh active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114395466A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-26 | 西安建筑科技大学 | 一种体外瘤胃仿生*** |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Keskin et al. | Biohydrogen production from solid wastes | |
Zheng et al. | A review on biological recycling in agricultural waste-based biohydrogen production: Recent developments | |
Song et al. | Comparison of two chemical pretreatments of rice straw for biogas production by anaerobic digestion. | |
Zou et al. | Valorization of food waste to multiple bio-energies based on enzymatic pretreatment: A critical review and blueprint for the future | |
CN108048507B (zh) | 一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法 | |
US11352596B2 (en) | Method and plant for producing biogas from lignocellulose-containing biomass | |
Guan et al. | Current development and perspectives of anaerobic bioconversion of crop stalks to Biogas: A review | |
CA2771147A1 (en) | Combined liquid to solid-phase anaerobic digestion for biogas production from municipal and agricultural wastes | |
Zhu et al. | Bioenergy from dairy manure: technologies, challenges and opportunities | |
Kim et al. | Fermentative biohydrogen production from solid wastes | |
CN101760481A (zh) | 纤维废弃物发酵产氢气和/或甲烷的方法及其装置 | |
CN101338325A (zh) | 一种利用秸秆干式发酵生产沼气的工艺 | |
Saratale et al. | Biohydrogen from renewable resources | |
Ong et al. | Palm oil industrial wastes as a promising feedstock for biohydrogen production: A comprehensive review | |
An et al. | Biological saccharification by Clostridium thermocellum and two-stage hydrogen and methane production from hydrogen peroxide-acetic acid pretreated sugarcane bagasse | |
Vats et al. | Options for enhanced anaerobic digestion of waste and biomass—a review | |
Salakkam et al. | Bio-hydrogen and methane production from lignocellulosic materials | |
Shen et al. | Cellulolytic microflora pretreatment increases the efficiency of anaerobic co-digestion of rice straw and pig manure | |
CN103898167A (zh) | 一种生产乙醇的方法 | |
CN106630132B (zh) | 一种不同接种物对木薯酒精废液高温厌氧处理的方法 | |
Zheng et al. | Solid-state anaerobic digestion of rice straw pretreated with swine manure digested effluent | |
CN116254171A (zh) | 一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用*** | |
Wang et al. | A novel strategy for comprehensive utilization of distillers’ grain waste towards energy and resource recovery | |
CN102031276B (zh) | 一种生物、碱复合预处理秸秆纤维原料两步发酵产氢的方法 | |
CN112401054A (zh) | 一种木质纤维素原料连续化处理方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |